清華大學光電工程研究所學位論文
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整篇文章的作者為博士班學生蔡嘉倫，他就讀於國立清華大學光電工程研究所，就學期間(2013~2020)搭建了兩種中心波長的光參啁啾放大器(OPCPA)，還有兩種不同波長的非線性雷射脈衝壓縮器。 作者在就學及研究期間，搭建了兩種光參啁啾放大器，可以放大近紅外波長雷射，以及產生中紅外光雷射。他們分別由不同的源頭雷射驅動：(1)以商用鈦藍寶石雷射放大器當作源頭幫浦雷射，自組建的光參啁啾放大器可以產生雷射脈衝1千赫茲、0.5毫焦耳、368飛秒(1.36吉瓦尖峰功率)、1.9微米中心波長。至於後級放大部分，則由摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)雷射放大器作為幫浦雷射。(2)以摻鐿鎢酸釓鉀(Yb:KGW)商用雷射放大器當作源頭幫浦雷射，中心波長1.55微米的光參啁啾放大器可以產生雷射脈衝1千赫茲、3.3毫焦耳、80飛秒(41.25吉瓦尖峰功率)。這樣的光源是個強大的工具，其可應用於電子加速產生兆電子伏特動能，或是高次諧波產生極紫外光。 至於非線性雷射脈衝壓縮器，作者根據不同的雷射中心波長以及輸入脈衝能量，搭建了兩套多薄片展頻(MPC)架構去探索脈衝壓縮效果：(1)多薄片展頻架構一級，包含了9片200微米厚度的石英薄片，使得原本1.55微米中心波長的光參啁啾放大器，頻寬變成原本4倍。此頻寬經歷過脈衝壓縮之後，脈衝寬度從原本的80飛秒，壓縮變成20飛秒。(2) 多薄片展頻架構一級操作在中心波長1.03微米。光源部分來自一台自行搭建的碟片雷射震盪器，加上一套多次穿透共振腔。此光源由德國的波鴻魯爾大學提供，可產生脈衝寬90飛秒、13.4兆赫茲，以及大約10微焦耳的脈衝能量。作者協助搭建了一套多薄片展頻架構，使得雷射脈衝寬度從原本的88飛秒，壓縮變成27飛秒，轉換效率為超過90百分比。此架構建立了一個里程碑，其輸入脈衝能量小於10微焦耳，脈衝重覆率高於1兆赫茲。此架構對於未來更高脈衝能量提供了可能性，其方法為選用更為寬鬆的聚焦條件，以及色散補償反射鏡。此一短脈衝光源提供了產生軟X光源產生的條件，未來預計可以應用在無標籤的生物樣本觀察。
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在這論文裡我們研究了多種情況下的波局域性。主要著重在兩種不同系統上，第一種是我們能在非線性色散的系統中找到孤子解，是以贗勢找到的近似解析解，以及牛頓法和傳播一個高斯波函數得到的數值解。第二種為了要做彎曲空間的研究，對於多種曲線我們推導了相對應的等效位能以及曲線長度用來做為彎曲空間座標, 像是拋物線，雙曲線，S形的，正弦曲線，橢圓形，螺旋形，玫瑰形，心形，進而得到對於各種曲線的相關的局域態，同時也將此作法運用於許多拋物線組合成的三維拓撲弦，同時使拓撲弦的等效位能對應於Andre-Aubry-Harper的位能。同時如同預期的我們也能在此系統中找到局域態，非局域態，邊界態。另外使用逆參與率找到了局域-非局域的過度邊界。
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自從雷射的出現，長距離光通信系統大多以此光源來產生光信號。這種優先於其他基本光源，例如，發光二極管（LED）的使用是起因於雷射利用了受激發射（Stimulated emission），使此光源可獲得較高的輸出功率，較窄的線寬和較大的帶寬容量。然而，當涉及到諸如片上光通信之類的短規模通信網絡時，這些發光器件由於採用大腔體以及高功耗而造成其不適合作為此類通訊網路的發光器件。 另一方面，LED由於仰賴自發發射（Spontaneous emission）來出光，其較不會被尺寸或雷射所要求的閾值條件給限制。因此，它們不會佔用太多空間，也不會消耗大量的能量來進行操作。不幸的是，LED的調變速度不足一直是讓該設備在現代通信世界中”發光”的阻礙點。這起因於LED固有的低自發發射率及其與輸出功率無關的特性，造成這個發光設備只能以200MHz左右的速率被直接調變，這與典型調製速度約為50 GHz的雷射相比實在太慢了。幸運的是，發光器的自發輻射率不是固定的。相反地，通過適當地設計發射器的周圍電磁環境，我們是可以將自發發射率提高好幾個數量級。 在本文中，我們通過採用光學槽式天線作為光學環境的變化，來探索自發發射率的這種特性。具體來說，我們研究這些光學結構的幾何參數在近紅外（NIR）光譜區域中與耦合發射器的自發發射率之間的關係。另外，我們還討論了這些幾何參數對增強量的共振位置和發射極量子效率的影響。通過我們的調查，我們發現，通過實際設計和設計合理的光學槽式天線，我們可以在進紅外光的頻率範圍內獲得整體速率約1000倍的提升，同時具有足夠的輻射效率。該發現暗示了創作高速電信波長LED的可能性，該LED可用作芯片上光通信的有效光源。
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背面鈍化堆疊層在PERC太陽能電池中扮演很重要的一個角色。Al2O3為一種同時兼具場效鈍化及化學鈍化的優異材料。本實驗將以氧化鋁作為鈍化層，並以氮化矽作為鈍化保護層覆蓋在鈍化層上方，兩種薄膜沉積後都會分別經過不同參數的退火，來找出使少數載子生命週期提升最大的參數。 本實驗使用電子束蒸鍍系統沉積一層鋁於背面，以臭氧氧化的方式將鋁氧化成氧化鋁。我們分別對蒸鍍厚度、氧化時間、退火溫度及退火時間做測試，找出蒸鍍3nm鋁、氧化20分鐘、700度退火60秒為最佳。藉由XPS量測可以得到Al2O3薄膜的元素組成，並以TEM量測知道Al2O3薄膜的厚度，再以C-V量測得到退火後鈍化層的負電荷密度。接著沉積氮化矽作為鈍化保護層後進行不同退火溫度及時間的二次退火，發現最佳退火溫度及時間為400度20分鐘，還能防止鈍化層衰退。最後以所有最佳參數製成之PERC太陽能電池達到最佳填充因子為76 %、轉換效率為17.093 %，比背部全面鋁的太陽能電池相比提升了0.329 %。
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本論文主要研究低能隙鈣鈦礦太陽能電池的製備及應用，使用一步法溶液製程來製作錫鉛混合鈣鈦礦太陽能電池，利用不同錫鉛比例來製作鈣鈦礦主動層比較其吸收特性及電性的差異，得到最佳化的比例為FA0.7MA0.3Pb0.5Sn0.5I3，進一步將主動層前驅物的濃度提升使主動層厚度更厚以增加光的吸收量，再改變錫還原劑的濃度，觀察薄膜形貌、晶相與電性差異，最後優化電子傳輸層的厚度使元件效率最佳化。 為了將低能隙鈣鈦礦太陽能電池應用於全鈣鈦礦串聯電池，我們以較高能隙的MAPbI3為主動層使用一步法溶液製程製作出元件並優化，最後嘗試將能隙1.55 eV與1.2 eV的兩種全溶液製程鈣鈦礦太陽能電池製作成全鈣鈦礦串聯電池並進行分析。
本文將於2026/01/28開放下載。若您希望在開放下載時收到通知，可將文章加入收藏。
本文將於2025/11/16開放下載。若您希望在開放下載時收到通知，可將文章加入收藏。
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太陽能電池之研究近年來快速發展，而在致力於提升效率的同時，如何降低整體製程之成本也是一門重要的課題。本篇論文利用化學濕式蝕刻的方式對單晶太陽能電池進行表面的蝕刻，在表面形成倒金字塔之結構，有助於進一步降低表面反射率，增加入射光進入電池內產生載子的機會。另外我們也以臭氧氧化金屬鋁的方式，取代傳統ALD製程，使用較低成本的方法在晶片背面形成氧化鋁的鈍化層，透過這一層氧化鋁層可以在背面形成負電荷層，將對晶片產生場效鈍化之效果，如此一來便能夠提升長波長之入射光在背表面之吸收，降低背表面復合速率以及提升少數載子生命週期。 本論文使用臭氧氧化金屬鋁形成背面氧化鋁鈍化層，透過不同之氧化鋁層製程參數，如鍍鋁厚度、氧化時間、退火溫度、退火時間，探討少數載子生命週期的提升效果，而論文中為了證實氧化鋁層具有鈍化效果，使用XPS、TEM、C-V量測以及IQE量測分別進行探討，最後，我們得出之最佳製程參數為，鍍鋁厚度3nm，氧化時間20分鐘，退火溫度600°C進行退火90秒，由此參數製程之倒金字塔PERC太陽能電池的最佳轉換效率可以達16.92%，比起無PERC結構之倒金字塔太陽能電池參考片提升0.6%絕對值之效率。